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超高性能混凝土替代钢筋、花岗岩,提升透水砖性能

2018-12-04 14:35 来源:大洋网

大洋网讯 “混凝土”上也可以种植?科技的创新正在将不可能变成可能:制作成透水混凝土,成为海绵城市建设中可渗透地面的主要材料;做成植被型生态混凝土,允许城市建设者们在上面种花种草,将城市还给大自然,环保和绿色建设将成为常态……这些新应用场景正是超高性能混凝土(简称为UHPC)被用于城市建设中,不断出现在日常生活当中。如今,寻找城市建设与生态环境的可持续发展之路,为不可再生资源寻求替代品,这一课题摆在材料专家们的面前。而诸多解决方案当中,超高性能混凝土已经“冲”在最前头,被广泛应用于桥梁、建筑物、马路、城市家具、雨水井盖、水箅等领域。

预测使用寿命至少100年

人们印象中的混凝土是一种硬邦邦的建筑材料,但如今新型的超高性能混凝土(UHPC)除了承担延长建筑寿命的重任外,它还能种植,混凝土也变得更有生命力。其实,由于分子结构不同,材料会表现出不同的特性。最为明显的就是碳元素,同为碳元素的钻石和碳是完全不同的两种产品,硬度也完全不同。同样可以理解,UHPC除了替代花岗岩,也可以做成透水砖,让城市建设者在上面种花种草。

在1994年,UHPC首次出现并给予准确定义。由于性能卓越,自问世以来,便迅速成为研发主题,并逐步实现应用。而从2000年开始,在矿物粘料和强塑剂的应用上所取得的进步,使UHPC的制造和成本便逐年降低,率先在桥梁建设上实现大规模应用。据了解,截至2016年3月,全球便已经建成88座UHPC桥。发展至今,仅在中国,约有32座桥梁采用UHPC材料。

作为一种全新的材料,由于强度极高,在承受相同荷载的前提下,UHPC可以有效减小截面,降低自重。在承担同样的载荷方面,UHPC结构的重量仅为钢筋混凝土结构的1/3,几乎与钢结构相近。相比于抗压强度是15-55MPa的普通混凝土,UHPC的“门槛”是抗压强度必须高于150MPa。这个抗压强度只是UHPC的起点,目前国际上的UHPC材料抗压强度可达到约230MPa。

UHPC除了能抗压外,还能抗折,其抗折强度最高为60MPa。UHPC断裂能为20000-40000J/㎡,这一数值比铸铁还高。在决定耐久性的“磨损系数”上,UHPC仅1.3,为普通混凝土的三分之一。国外根据理论分析、暴露试验以及实际工程检验结果对UHPC结构寿命进行测试,预测其在腐蚀环境中(如海洋环境)可超过200年以上;在非腐蚀环境(如城市建筑)可达1000年。而相对保守的日本指南则认为,在正常环境下,UHPC结构的设计工作寿命为100年。

广州造UHPC性能超国际同类产品

中国是在上世纪90年代末引入UHPC,并持续不断地开展相关研究工作并加以应用。在广州,对新材料的应用和推广更具包容性与积极性。广州华穗威预制件有限公司副总工程师、博士后林东告诉记者,2016年华隧威科研小组启动UHPC材料的基础研究工作。在短短两年里,广州便形成拥有自主知识产权的UHPC,并实现量产。

林东博士介绍,“我们目前量产UHPC材料抗压强度最高达到255MPa,是普通混凝土的8~10倍;抗折强度最高可达到41MPa,是普通混凝土的10~12倍;电通量仅为4.2库仑,耐久性能比普通混凝土高3个数量级——相关性能达到甚至超过了国际同类产品。”

据了解,目前UHPC制造和生产的过程中,各国存在一定的差异。主要分成两种,一种是以UHPC为主要材料,需要在生产线上进行“预制”。另外一种,将UHPC作为粉末,现场使用时只需添加规定量的水搅拌均匀即可施工,虽然抗压强度要比“预制件”稍低,但胜在更灵活、便捷、简单,性能也较普通水泥为佳。

在广州华穗威预制件有限公司位于番禺的生产基地,记者见到,相同承载力制成的梁截面对比实物, UHPC材料所制成的构件截面尺寸接近于钢结构构件,明显小于预应力砼和普通砼——能节省构件占据的空间。

改变“重地上,轻地下”的局面

林东博士告诉全媒体记者,由UHPC制成的地铁疏散平台,已经在广州地铁十四号线知识城支线推广应用。地铁疏散平台并非“站台”,而是一种类似于“栈道”的步行通道,铺建在地铁通行的隧道中。绝大多数市民没有见过地铁疏散平台,但作为一种应急设备,必须得有。当地铁发生临时停车,需要疏散乘客;当地铁停运,工作人员需要对轨道进行维护,这一平台就可以派上用场。

以往,地铁疏散平台主要以钢为主要材料,容易生锈、变形。一旦地铁疏散平台需要维护,那将是一项大工程。使用UHPC则没有这些困扰,抗压强度高,使用寿命长,建成之后基本是免维护。全媒体记者现场进行了体验,由UHPC制作成的地铁疏散平台,地板很薄,目测只有普通水泥的三分之一。而人站在上面,感受到的安稳和厚重,要优于钢结构。人在上面行走,也不会产生任何噪音。

据了解,地铁疏散平台只是UHPC应用的“牛刀小试”。更大的应用场景在地下综合管廊,也就是在城市地下用于集中铺设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。地下综合管廊建设和性能的提升,将改变过去城市建设“重地上,轻地下”的局面,将标志着中国城市建设发展方式的转变。

在广州,UHPC还能制成路缘石、路面砖等市政产品,取代天然石材,用于部分马路和部分建筑的前广场上,比如广园路的一部分步行道。UHPC制作的路缘石、路面砖等市政产品,抗压强度达到120MPa以上,与花岗岩强度相同、甚至更高。通过配比的调整及表面处理工艺,使市政产品具有与花岗岩相近的表面效果。更为关键的是,UHPC可以生产而得,而花岗岩是不可再生资源。

“混凝土”上可以种植

打造绿色城市 提升绿化率

由于透水混凝土具有良好的透水性,是海绵城市建设中可渗透地面的主要材料。然而,目前市面上透水混凝土,当真正达到透水效果时,强度都较低,只能用于景观道、自行车道等低要求的场合,严重影响了透水混凝土的普及。

采访中,全媒体记者了解到,UHPC的使用能够大幅提升透水混凝土的性能,兼顾了强度与透水率两方面的性能,在达到透水效果时,强度仍能做到C30以上,抗折强度5MPa以上,是一种真正意义的透水混凝土。

林东博士认为,该技术拓宽了透水混凝土的使用范围,为大幅提高城市中硬化地面的可渗透面积提供了可能,在海绵城市建设中具有广阔的应用前景。在现场展示环节,日常生活当中常见的水龙头全开,但地面上没有任何积水,水都通过地面上的透水铺装系统渗透和排放出去。

2017年4月7日,广州市通过《广州市海绵城市专项规划》。广州将通过海绵城市建设,综合采用“净、蓄、滞、渗、用、排”等措施,将70%的降雨就地消纳和利用。到2030年,城市建成区80%以上的面积达到目标要求。毫无疑问,搭建高性能透水铺装系统,是实现这一规划的关键。

当孔隙进一步放大,透水混凝土便能成为植被型生态混凝土。这种混凝土就可以用在高层建筑的外表面,成为生态墙,提升绿化率;还可以用在河堤两岸,确保河堤坚固性同时,还为植被生长留足空间。“在新加波,已有建筑在外表层使用生物墙;在国内还不多见,但这是发展趋势,也是建设绿色城市的需要。”林东博士说。

【知多点】

超高性能混凝土

超高性能混凝土,英文全称是Ultra High Performance Concrete,常被简称为UHPC。该材料结合了超细粒致密材料设计理论与纤维增强技术,是由超细活性粉末、水泥、高强度纤维等,通过最优化级配设计,经热合反应等工艺制备而成的复合材料,是目前世界上最结实、最强韧的一种混凝土,代表了未来混凝土的发展方向。

UHPC以超高的强度、韧性和耐久性为特征,可显著改善传统钢筋混凝土的不足,在本质上是钢和混凝土共同融合的新模式。UHPC不同于传统的高强混凝土(HSC)和钢纤维混凝土(SFRC),也不是传统意义“高性能混凝土(HPC)”的高强化,而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。

透水砖&海绵城市

透水砖起源于荷兰,为使地面不再下沉,荷兰人制造了一种长200毫米宽100毫米50或60毫米高的小型路面砖铺设在街道路面上,并使砖与砖之间预留了2毫米的缝隙。当海水倒灌,或者下大雨,水会从砖之间的缝隙中渗入地下。近些年,“海绵城市”成为“绿色环保城市”的重要标签之一。所谓海绵城市,是指城市在适应环境变化、应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用——要能实现对70%实现渗透和再利用。显然,透水砖是建设海绵城市主要建筑材料之一。

【记者观察】

如果随着城市化、城镇化不断跨步向前,消失掉的是本土艺术、本土风俗,甚至还有“绿水青山”,这是十分堪忧的。城市要往前发展,同时要打赢“蓝天白云保卫战”,仍然存在许多亟须面临的挑战。因此,大力发展绿色建筑,推进绿色生态城区建设,提高城镇供排水、防涝、雨水收集利用、供热、供气等基础设施建设水平……这一切,在一座城市的现代化进程中不可或缺。把城市放在大自然中,把绿水青山保留给城市居民。毋庸置疑,UHPC正是满足所有要求的关键建筑材料。UHPC既是现行技术,也是未来技术发展的趋势。

文/广报全媒体记者周伟力

图/广报全媒体记者苏俊杰

[ 编辑: 郭夏凡 ]
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